The effect of temperature on their permeability to gas flow of non-stressed rocks

• Autorzy: Żółcińska J. , Dryga L.

Warianty tytułu

PL

Wpływ temperatury wygrzewania skał nieobciążonych na ich przepuzczalność w przepływie gazu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An investigation of the permeability of sandstone from Tumlin together with fine and coarse-struetured granites from Strzelin was conducted using a steady flow ofnitrogen and helium. The permeability values were detennined for sampIes cut from solid rock-masses, firstly at ambient temperature and subsequently at temperatures of 100oC, 200oC, 300oC and 500oC. Heating the Tumlin sandstone up to 100oC rcsulted in its cvident drying up and the desorption of all the gases contained in it; therefore the permeability increased more than eight-fold. Further heating to 300oC caused a decrease in permeability whilst on raising the tcmperaturc to 500oC the permeability again increased somewhat, due to both a slightly greater level of rock destruction, by the removal of the bonded water and other changes in its ilIitic binding material. Both Nitrogen and Helium showed similar temperature-related flow-patterns. The progressive changes in permeability accompanying the heating, measured from the flow of both gases, were observed to be qualitatively identical for the fine-grained and coarse-structured--grained granites. A monotonie increase in permeability was observed, which was much higher than in the case of sandstone. This was due to the dehydration of the granite and, possibly, to the preferential direction o fthe thermal expansion of the rock material, resulting from the directional array of the biotite plates in the granite.

PL

Badania przepuszczalności w przepływie gazów prowadzone były w trzech próbkach skalnych: piaskowcu z Tumlina (obrzcże Gór Świętokrzyskich) oraz drobnoziarnistym i gruboziarnistym granicie ze Strzelina (Dolny Śląsk). Do badań używane były wycinane próbki walcowe skał o średnicy 22 mm i wysokości około 40 mm. Badano próbki piaskowca i granitu w stanie niewygrzewanym oraz wygrzewane w temperaturze 100, 200, 300 i 5000oC. Badania przepuszczalności piaskowca i granitu w przepływie azotu i helu prowadzono w permeametrze, do którego wpływał gaz (azot lub hel) pod zadanym ciśnieniem. Badania przepływów stosowanych gazów w próbkach skalnych wykonywano do wartości ciśnienia wejściowego 0,8 MPa. Przepuszczalność w przepływie gazu wyliczano ze wzoru Darcy'ego dla gazów. Początkowy przebieg zmian przepuszczalności przy zadanym ciśnieniu średnim gazu dla azotu pokazuje znaczny spadek przepuszczalności (sorpcja) (rys. I). W przepływie helu, następującym po przepływie azotu, obserwuje się wzrost przepuszczalności spowodowany desorpcją azotu znajdującego się w próbce i ustalaniem się warunków przepływu. Im wyższa temperatura wygrzewania próbek piaskowca i granitu, tym szybciej ustalają się zachodzące w nich przepływy azotu i helu (lepsza dostępność struktury próbek wygrzewanych dla przepływu). Przepuszczalności wyznaczone w ustalonym przepływie azotu i helu dla skał niewygrzewanych, a następnie wygrzewanych kolejno w temperaturze 100, 200, 300 i 5000oC zebrano na rysunkach zbiorczych dla każdego gazu. Ogrzanie próbki piaskowca Tumlin do 100° C powoduje wyraźne jej osuszenie (usunięcie wody wolnej obecnej w makroporach spoiwa) i desorpcję wszystkich zawartych w niej gazów (ponad 8-krotny wzrost przepuszczalności) (rys. 2a). Ogrzewanie piaskowca do 2000oC, a szczególnie do 3000oC, wiąże się ze spadkiem przepuszczalności. Możliwe, że wzrost temperatury wygrzewania wpływa na ilaste spoiwo piaskowca i prowadzi do zatykania kanałów dotychczas drożnych dla przcpływu gazu. Według Gustkiewicza (2001) wpływ temperatury na porowatość mikrospękań jcst w piaskowcu niewielki: do 3000oC wynosi zaledwie około 0,5%o, a przy 5000oC osiąga 2%o. Niewielki wzrost przepuszczalności przy ogrzewaniu piaskowca do 5000oC (do 0,3 mD) może być zatem spowodowany zarówno nieco większą destrukcją i pękaniem ziaren, jak też usunięciem wody związanej w ilastym spoiwie piaskowca. Zmiany przepuszczalności piaskowca pod wpływem wygrzewania w przypadku przepływu helu przebiegają zupełnie podobnie (rys. 2b). Uzyskane wówczas liczbowe wartości przepuszczalności są o około 50% wyższe od odpowiednich wartości w przepływie azotu. Podczas ogrzewania granitu drobnoziarnistego jego przepuszczalność wzrasta w sposób monotoniczny (rys. 5). Przy ciśnieniu średnim przepływającego azotu 150 kPa dla lOOoC przepuszczalność wynosi 0,0015 mD, dla 200oC - 0,0088 mD, dla 300oC - 0,0222 mD, a dla 500oC - 0,109 mD. Wzrost ten spowodowany jest osuszeniem granitu (usunięcie wody wolnej w temperaturze 100oC) i zapewne uprzywilejowanym kierunkiem termicznego rozszerzania się materiału skalnego, który wynika z kierunkowego ułożenia blaszek biotytu obccnego w granicie. Przepuszczalność tego granitu w przepływie azotu wzrosła podczas jego wygrzewania do 500oC prawie 260 razy dla wejściowego ciśnienia azotu 0,2 MPa, podczas gdy dla piaskowca Tumlin wzrost ten był mniej niż 4-krotny. Ze wzrostem temperatury (szczególnie powyżej 200oC) Gustkiewicz i in. (2001) obserwowali bowiem wyraźny wzrost odkształceń oraz porowatości spękań granitu. W badanym przez nich zakresie temperatur zmiany te były kilkudziesięciokrotnie większe dla granitu niż dla piaskowca. Również Nowakowski i Konecny (2002) pokazali, że zmiany piaskowca TumIin w wyniku jego podgrzania do temperatury 500oC były niewielkie w porównaniu ze zmianami w granicie drobnoziarnistym. Wpływ wygrzewania próbek badanego granitu drobnoziarnistego Strzelin na jego przepuszczalność w przepływie helu jest zupełnie podobny. Dla granitu gruboziarnistego przebiegi i sekwencje zmian przepuszczalności z temperaturą wygrzewania są takie same jakościowo w przepływie obu gazów jak dla granitu drobnoziarnistego (rys. 6). Próbki niewygrzewane gruboziarnistego granitu charakteryzują się niezwykle małą przepuszczalnością w przepływie obu gazów. Przepuszczalności próbek wygrzewanych w 300 i w 500oC są dużo wyższe niż dla granitu drobnoziarnistego. Wyniki te pozostają w dobrej zgodności z badaniami Homand-Etienne i Houperta (1989). Znacznie większy wzrost gęstości spękań i porowatości dla granitu gruboziarnistego niż drobnoziarnistego wynika z jego niższego modułu sprężystości i wytrzymałości na rozcIąganie.

Słowa kluczowe

EN

granite; sandstone; heating up; flow of nitrogen and helium; permeability

PL

granit; piaskowiec; wygrzewanie; przepływy azotu i helu; przepuszczalność

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 48, nr 3
• Strony: 339--353
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., wykr.

Twórcy

autor

Żółcińska J.

• Instytut Mechaniki Górotworu, Polska Akademia nauk, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 27

autor

Dryga L.

• Instytut Mechaniki Górotworu, Polska Akademia nauk, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 27

Bibliografia

• [1] Danek T., Konećny P., Kożuśnikova A., Nowakowski A., 2001: Influence of temperaturo on permeability and stress strain behaviour of granodioritc. Documenta Geonica, 51-58.
• [2] Gustkiewicz J., Lizak Z., Nowakowski A., 2001: Wpływ ciśnienia i temperatury na trwałe zmiany właściwości wybranych skał. Prace IMG PAN t. 3, nr 3 -4, 289-302.
• [3] Harpalani S., Chen G., 1993: Gas slippage and matrix shrinkage effects of coal permeability. Proc. of Coalbed Methane Symp., Tuscaloosa, Alabama, 285-294.
• [4] Homand-Etienne F., Houpert R., 1989: Thermally induced microcracking in granites: Characterization and analysis. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. and Gcomech. Abstr., vol. 26, No. 2, 125-134.
• [5] Lingard P.S., Doig I.D., Philips H.R., 1983: Laboratory studies of sorption characteristics and permeability of triaxally stressed coal samples. Third Intern. Minc Ventil. Congress, Harrogate, London, 143-150.
• [6] Manuel dc Mecaniquc des Roches. Tom 1: Fondements, 2000, par le Comite Francais dc Mecanique des Rochcs. Cordonne par F.Homand et P. Duffaut, Les Presses de 1’Ecole des Mines, Paris 2000, 229-236.
• [7] Nowakowski A., Konecny P., 2002: Wpływ obciążeń termicznych na zmiany przepuszczalności próbek skał w trójosiowym stanie naprężenia. Materiały XXV Zimowej Szkoły Mechaniki Górotworu, Zakopane, 18-22 marca 2002, Wydawnictwo Katedry Geomechaniki Górnictwa i Geotechniki AGH, Kraków, 537-544.
• [8] Pinińska J., 1980: Wpływ wysokich temperatur na właściwości fizyczno-mechaniczne piaskowców krośnieńskich. W: Z badań geologiczno-inżynierskich w Polsce, Biul. Inst. Geol. 324, t. IX, 105-168.
• [9] Skawiński R., Żółcińska J., Dyrga L., 1987: Zmienność przepuszczalności w przepływie gazów w węglu i piaskowcu wyrzutowym. Mat. z prac Komisji ds. Zagrożeń Wyrzutami Gazów i Skał w kopalniach w Dolnośląskim Zagłębiu Węglowym, Wałbrzych, z. 9, 54-76.
• [10] Skawiński R., Żółcińska J., Dyrga L., 1991: Experimental investigation of the permeability in gas flow in coal with various water content. Arch. of Min. Sci., 36, 227-238.
• [11] Skoczylas F., Henry J.P., 1995: A study of the intrinsic permeability of granite to gas. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. and Gcomech. Abstr. 32, 2, 171-179.
• [12] Somerton W.H., Soylemczoglu M., Dudley R.C., 1975: Effect of stress on permeability of coal, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 12, 129.
• [13] Terschuren W., 1979: Zur Gasdurchlassigkcit von Sedimentgestein des Oberkarbons, Gliickauf-Forschungshefte, 40,217.
• [14] Żółcińska J., Dyrga L., 1996: Przepływy różnych gazów przez próbki węgla, Przegląd Górniczy 3, 36-41.